Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ВАСИЛЕНКО ГЛЕБ ОЛЕГОВИЧ
РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗА УРОВНЕЙ СИГНАЛОВ В РАДИОЛИНИЯХ УВЧ И СВЧ ДИАПАЗОНОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Санкт-Петербург 2011
Работа выполнена на кафедре Технической электродинамики и антенн СанктПетербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф.
М.А. Бонч-Бруевича.
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор МИЛЮТИН Евгений Рафаилович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор БЫХОВСКИЙ Марк Аронович доктор физ. мат. наук, профессор АКИМОВ Валерий Петрович доктор технических наук, профессор ЯРЕМЕНКО Юрий Иванович Открытое акционерное общество Научно
Ведущая организация:
исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО НИИАС)
Защита состоится л 15 марта 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им.проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61, ауд. № 205.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. БончБруевича.
Автореферат разослан л___ ___________ 201_ года.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Сергеев В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Все возрастающая потребность в передаче мощных потоков информации вызывает появление новых систем электросвязи.
Климатические особенности нашей страны, инфраструктура, особенности развития производства и необходимость в услугах связи обусловливают актуальность строительства сетей на основе радиооборудования.
Рост числа сетей подвижной радиосвязи (СПР) и беспроводных сетей передачи данных порождает рост числа цифровых радиорелейных линий (ЦРРЛ), с помощью которых осуществляется технологическая связь между базовыми станциями (БС).
Развитие и развертывание систем радиосвязи, работающих в УВЧ и СВЧ диапазонах, поставило перед наукой сложный комплекс задач по исследованию распространения этих волн в различных условиях. Еще большую значимость изучению распространения радиоволн придает все нарастающий дефицит радиочастотного спектра, в условиях которого вновь вводимые РЭС должны эксплуатироваться с минимальным частотным разносом.
Указанные выше обстоятельства определяют актуальность исследования вопросов распространения радиоволн УВЧ и СВЧ диапазонов, среди которых одним из наиболее важных является вопрос о моделях ослабления радиосигнала на различных трассах. Данная научная проблема имеет множество аспектов.
Одним из наиболее значимых является воздействие подстилающей поверхности на распространение радиоволн. В СВЧ диапазоне существенный вклад в ослабление радиосигнала вносят также атмосферные явления, в особенности, дожди.
В течение многих лет специалистами разных стран разрабатывались модели и методики расчета ослабления радиосигнала в различных условиях и диапазонах частот. Выдающаяся роль в изучении данного вопроса принадлежит Дж. Дейгауту, Й. Окамура, М. Хата, А. Исимару, Б.Р. Бину, Т.С. Раппапорту, У. Ли, Т. Тамиру, и, безусловно, советским ученым Б.А. Введенскому, В.А. Фоку, М.П. Долуханову, В.И. Татарскому, Ф.Г. Бассу, С.М. Рытову. На современном этапе следует выделить работы С.Р. Сондерса, Х.Р. Андерсона, X.Л. Бертони, X. Ксиа, В.Н. Троицкого, Г.А. Андреева, Ю.В. Лаврентьева, А.Н. Куликова, Г.А. Пономарева, А.И. Калинина, В.Е. Панченко. Многое из работ этих ученых нашло применение в Рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ) и документах Европейского института телекоммуникационных стандартов (ЕТСИ), в отечественных нормативных документах.
В современных условиях оценка зон обслуживания БС СПР и показателей качества ЦРРЛ должна производится на основе моделирования создаваемой радиосети на этапе ее проектирования. Результатом такой оценки является частотно-территориальный план (ЧТП) сети, содержащий места установки радиоэлектронных средств (РЭС), высоты и пространственную ориентацию антенн, системно-технические параметры оборудования. Как правило, при подготовке ЧТП используется специализированное программное обеспечение (ПО), которое позволяет на основе заложенных в него климатических и морфологических особенностей местности проводить вычисления характеристик радиосигналов.
Таким образом, одной из важнейших задач является создание аналитических моделей ослабления, с помощью которых обеспечивалась бы полная автоматизация расчетов.
Применение цифровых моделей местности (ЦММ), в том числе и цифровых карт местности (ЦКМ), при расчетах параметров моделей призвано улучшить прогноз, от которого, в свою очередь, зависит качество предоставляемой связи, соблюдение требований внутрисистемной и межсистемной ЭМС, а так же возможность повторного использования частот. Однако для вычисление любого параметра модели, описывающего местность, требуется методика, которая зависит от характеристик применяемой при проектировании ЦММ: типа, разрешения, семантики и т.п. Неправильное использование ЦММ при проектировании способно привести к серьезным ошибкам прогноза ослабления радиосигнала для отдельно взятой РЭС и сети радиосвязи в целом, следствием чего является снижение их технико-экономических показателей и усложнение эксплуатации. Таким образом, актуальной задачей является разработка методики применения ЦММ при построении сетей радиосвязи.
Выбор моделей ослабления при решении различных задач, связанных с проектированием сетей, должен проводиться на основе многокритериального анализа, поскольку он, зачастую, полностью определяет конечный результат. От него зависит не только количественное и качественное описание параметров и характеристик системы, полученных в ходе проектирования, но и себестоимость самого проекта сети, поскольку с усложнением модели возникает необходимость привлечения более точных и, соответственно, более дорогих ЦММ.
Проект сети электросвязи является юридическим документом, таким образом, все его составные части, в том числе касающиеся расчетов показателей качества сетей и радиопокрытий, должны выполняться на основе легитимного методического обеспечения. Это обстоятельство налагает соответствующие требования на модели, применяемые при проектировании. По возможности, должны использоваться модели, приведенные в Рекомендациях МСЭ и документах ЕТСИ, так как они базируются на достижениях современной науки и имеют экспериментальное подтверждение состоятельности.
Поскольку ни одна из существующих моделей не учитывает всех механизмов и явлений, влияющих на ослабление радиосигнала, необходима разработка алгоритма, который бы позволил осуществлять выбор наиболее подходящей модели для конкретных условий развертывания сети и имеющейся в распоряжении проектировщика ЦММ. При выявлении недостаточной точности модели, в частности и по причине выхода за границы применимости, необходимо провести ее модификацию или дополнение, или разработать новые модели.
Цель работы - разработка методик прогноза уровней радиосигнала и связанных с ним показателей качества для проектирования сетей электросвязи на основе существующих и разрабатываемых моделей ослабления с применением ЦММ.
Программа исследований Х Разработка процедур расчета дополнительного ослабления радиосигнала атмосферными образования (газами, гидрометеорами и т.д.) для линий радиосвязи УВЧ и СВЧ диапазонов.
Х Разработка методики прямого расчета коэффициента неготовности трассы, обусловленного воздействием дождей, без использования вспомогательных графических зависимостей и промежуточных пересчетов, вносящих дополнительную погрешность. Экспериментальная проверка методики.
Х Разработка алгоритмов построения профилей местности с помощью ЦММ различного типа и разрешения. Количественная оценка погрешности представления информации о местности.
Х Разработка процедур классификации трасс на основе профиля местности.
Х Разработка алгоритмов построения карты ослабления (радиопокрытия) для БС СПР, беспроводного доступа и телевидения.
Х Исследование границ и условий применимости статистических моделей ослабления радиосигнала в УВЧ диапазоне. Разработка детерминистских поправок и технологий их расчета с помощью ЦММ различного разрешения для модели Окамура-Хата.
Х Разработка алгоритма калибровки статистических моделей на основе выборки экспериментальных данных.
Х Расширение условий применимости физико-статистической модели Рек.
МСЭ P.1546 путем введения дополнительных детерминистских поправок и разработки процедуры расчета ослабления на коротких трассах.
Х Анализ существующих и разработка новых детерминистских моделей ослабления радиосигнала.
Х Модификация существующих моделей ослабления радиоволны при проникновении внутрь застройки.
Х Разработка методики вычисления уровней сигнала, обусловленных рассеянием на объектах естественного и искусственного происхождений.
Х Экспериментальное исследование дополнительного ослабления радиосигнала УВЧ диапазона растительным покровом. Уточнение параметров модели Рек. МСЭ Р.833 для растительности средней полосы России.
Х Экспериментальные исследования распространения сигнала УВЧ диапазона в условиях города. Анализ точности прогноза ослабления радиосигнала по наиболее применяемым моделям и разработка на его основе алгоритма выбора модели для построения радиопокрытия БС СПР.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы сопоставительного анализа данных, имитационного моделирования на ЭВМ, теории распространения радиоволн, теории случайных процессов и математической статистики, геометрической теории дифракции, а также натурные измерения уровня сигнала.
Научная новизна.
Х Отличительной особенностью разработанной методики расчета коэффициента неготовности радиолинии при воздействии дождей является то, что:
- погрешность описания усредненного распределения интенсивности дождей не превышает 10% вблизи значений времени среднего года около 0.01%, то есть в области, где погрешность самих методик и приборов, используемых в метеорологии для измерения интенсивности дождей составляет порядка 10-15%;
- зависимость от широты и долготы места отражается в явном виде и представляется в форме отдельного блока в общей расчетной формуле;
- модель интенсивности дождя содержит корректирующий коэффициент, дополнительно учитывающий специфику климатического района размещения трассы.
Х Проведенное исследование требований по точности, предъявляемых при создании ЦКМ различного масштаба, позволяет не только выявить основные источники погрешностей прогноза ослабления радиоволн, связанных с описанием местности, но и оценить их количественно.
Х Впервые разработана аналитическая процедура определения сферичности трассы по профилю местности, что позволяет проводить выбор соответствующих моделей ослабления.
Х Для учета дифракционного множителя ослабления, обусловленного сферичностью земной поверхности, разработана специальная процедура вычисления, позволяющая избежать разрыва результата на границе промежуточной и дифракционной зон. Для дифракционной зоны получено аналитическое выражение, увеличивающее точность расчета.
Х Выполнен анализ статистических и детерминистских методов расчета для различных трасс с использованием единого подхода к описанию местности с помощью ЦММ.
Х Проведена, в том числе и экспериментальная, оценка точности расчета дифракционного ослабления по модели Дейгаута, принятой в качестве базового метода в методике Рек. МСЭ Р.1812. Определены условия применимости модели, которые серьезно ограничивают ее использование при расчете ослабления на трассах, характерных для СПР. Выявлен ряд существенных недостатков методики расчета результирующего ослабления.
Х На основании синтеза различных детерминистских моделей ослабления для СПР разработана модель, позволяющая получить более точный прогноз ослабления сигнала.
Х Предложен метод оценки ослабления радиоволны в условиях прямой видимости на городских трассах, поскольку формальное применение модели ослабления в свободном пространстве может привести к серьезным ошибкам (как правило, недооценке) прогноза ослабления.
Х Для используемой при расчете ослабления зданиями и сооружениями модели ЕТСИ на основе проведенных экспериментов уточнены параметры для диапазона 950, 1850, 2100 МГц, расширена граница применимости по расстоянию, решен вопрос о полуосвещенных зданиях.
Для анализа лосвещенности здания разработана специальная процедура, позволяющая выявить наиболее вероятный путь прохождения радиоволны до терминала, находящегося внутри здания.
Х Экспериментально доказана значимость механизма прохождения сквозь здание радиоволны при формировании поля вне зданий и сооружений. Предложен способ учета указанного механизма.
Разработана методика количественной оценки уровня сигнала, обусловленного рассеянием, на поверхности здания, при этом получен алгоритм обнаружения потенциальных рассеивателей и определена функциональная зависимость индикатрисы рассеяния от угла наблюдения.
Х Проведен вывод соотношений для вычисления элементарной зоны рассеяния Рек. МСЭ F.1096, который положен в основу новой версии этой Рекомендации.
Х Проведено уточнение функциональной зависимости максимального ослабления радиосигнала в растительном покрове.
Х На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований ослабления сигнала в УВЧ диапазоне разработан алгоритм выбора модели при отсутствии ЦММ, а также при наличии ЦММ определенного типа.
Практическая значимость.
Х Разработанные в диссертации модели, алгоритмы и методики позволяют эффективно, на основе системного подхода, решать задачи, возникающие при проектировании сетей электросвязи.
Х Применение разработанных в диссертации, а также модернизированных моделей повышает точность расчета ослабления радиосигнала.
Х Проведенные исследования позволяют провести выбор наиболее приемлемого сочетания Модель ослабления-ЦММ, что повышает техникоэкономическую эффективность проектируемых сетей и одновременно снижает стоимость проекта.
Х Разработанные методики являются аналитическими и доведены до алгоритмов и формул, поэтому расчет может быть полностью автоматизирован.
Реализация результатов работы.
1. Предложенная в диссертации модель интенсивности дождей использована в нормативном документе ГКРЧ РФ Методика расчёта электромагнитной совместимости земных станций фиксированной спутниковой службы и радиорелейных станций фиксированной службы гражданского назначения в полосах частот совместного использования от 1 до 40 ГГц. Указанная методика разработана при личном участии автора в соответствии с Комплексной программой работ по исследованию вопросов использования радиочастотного спектра, одобренной решением ГКРЧ от 04.04.2005 № 05-05-03-001. Методика является составной частью методической базы расчетов параметров электромагнитной совместимости РЭС при решении радиочастотными органами задач частотных присвоений.
2. Научно-прикладные результаты диссертационной работы использованы при разработке Национального Стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 53363-2009 Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества.
Методы расчета. Методы расчета, установленные в стандарте, в том числе и разработанный диссертантом метод расчета коэффициента неготовности ЦРРЛ, применяют на стадиях технико-экономического обоснования и рабочего проектирования при строительстве ЦРРЛ.
3. Разработанные в диссертации:
- методика расчета ослабления радиосигнала при его рассеянии зданиями и сооружениями;
- методика оценки ослабления радиосигнала при его проникновении в здания и сооружения;
- уточненная модель ослабления радиосигнала растительным покровом;
- модифицированные модели затенения рельефом местности и искусственными сооружениями;
внедрены, при активном участии автора, в научно-исследовательской работе Старт-08-ГУТ, выполненной в интересах Государственного научноисследовательского института проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю.
4. Отдельные результаты диссертационной работы использованы при разработке документа Методика построения модифицированного частотнотерриториального плана наземного цифрового вещания в Российской Федерации с учетом ограничений Минобороны России и ФСО России. Методика разработана автором в рамках работ по формированию и согласованию модифицированного частотно-территориального плана наземного цифрового вещания Российской Федерации (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 25.05.2004 №706-р).
5. На основе проведенных в диссертации исследований внесены изменения в Рек. МСЭ P.833 и F.1096.
6. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы во многих проектах СПР и ЦРРЛ, разработанных автором.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным учетом различных факторов, оказывающих существенное влияние на результаты прогноза, применением физических и математических моделей, адекватных исследуемым проблемам распространения радиоволн, и подтверждается данными эксперимента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на:
- 55-й, 62-й, 63-й НТК СПбГУТ (СПб., 2001, 2010, 2011);
- Международной конференции СПЕКТР-2006, (Москва, 2006);
- Международном телекоммуникационном симпозиуме Мобильная связь (СПб., 2007);
-НТК Физика и технические приложения волновых процессов (СПб., 2009);
-65-й НТК СПбНТОРЭС им. А.С. Попова (СПб., 2010).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 29 работах, в числе которых 17 научных статей, из них 13 в периодических изданиях, находящихся в перечне ВАК или находившихся в этом перечне на момент опубликования, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, две монографии.
Вклад автора в исследование проблемы. Представленные в диссертации основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно. В работах, которые опубликованы с соавторами, диссертанту принадлежит основная роль в постановке и решении задач, в обобщении полученных результатов, их реализации и внедрении.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка, включающего 158 литературных источника, и приложения. Работа изложена на 3страницах и содержит 166 рисунков и 48 таблиц.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика расчета коэффициента неготовности радиолинии, обусловленного ослаблением в дождях.
2. Новые модели расчета ослабления радиосигнала для трасс СПР.
3. Методики вычисления параметров моделей по профилям местности, построенным с помощью ЦММ.
4. Алгоритм построения радиопокрытия СПР с предварительным выбором наилучшего сочетания Модель ослабления - ЦММ.
5. Результаты экспериментальных измерений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определены цели и основные задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, описана структура работы.
Раздел 1 посвящен описанию влияния атмосферы на ослабление радиосигнала УВЧ и СВЧ диапазонов. Рассмотрены явления рефракции и атмосферная многолучевость. Приведено описание механизма распространения в условиях субрефракции, повышенной рефракции и атмосферных волноводов. Изложена методика расчета ослабления радиосигнала при тропосферном рассеянии. Рассмотрено ослабление поля радиоволны в атмосферных газах и гидрометеорах, представлена методика расчета для различных типов трасс.
Особое внимание в проведенных исследованиях уделено дождям, как самому важному типу гидрометеоров. Ослабление в дождях особенно проявляется в диапазоне частот выше 8 ГГц, а на частотах, превышающих 17 ГГц, становится основной причиной отказов в системах высокой готовности, поскольку при дожде большой интенсивности ослабление сигнала возрастает до такой степени, что перестает обеспечиваться необходимый для качественной работы радиолинии уровень сигнала.
Суммарная за год длительность нахождения радиолинии в состоянии неготовности из-за воздействия дождей, отнесенная к длительности одного года, позволяет рассчитать коэффициент неготовности Kнег.д.
Для расчетов Kнег.д используют статистические распределения интенсивности дождей Jд в среднем годе или худшем месяце (распределения описывают значения интенсивностей (в мм/ч), превышаемых в заданном проценте времени контрольного периода). На основе известного распределения рассчитывают максимально допустимую интенсивность дождя Jд max, при которой ослабление сигнала становится равным значению запаса на замирания F. Далее рассчитывается длительность превышения значения интенсивности дождя Jд max.
Сложность (и приемлемая точность) расчета Kнег.д обусловлена тем, что кроме статистических характеристик интенсивности дождей необходимо учитывать параметр пространственной локализации дождей Kr. Этот параметр зависит не только от длины трассы, но также от интенсивности дождей. Поэтому основное уравнение, определяющее состояние радиолинии при воздействии дождей, получается сложным, с неявным заданием функции Kнег.д (Jд, Kr ). Кроме того, если используется распределение интенсивности Jд (Pхм ) для худшего месяца, то для расчета Kнег.д для среднего года приходится вычислять значения переводного множителя Q. При этом расчет, как правило, ведется с использованием вспомогательных графиков, что весьма неудобно и связано с дополнительными погрешностями до 10%. Следует учитывать и то обстоятельство, что для надежной оценки Q путем измерения необходима многолетняя выборка данных по каждому из рассматриваемых регионов.
Таким образом, имея в своем распоряжении накопленный отечественный опыт проектирования и соответствующую детальную информацию по распределению интенсивности Jд (Pхм ), желательно получить методику расчета Kнег.д, используя подход среднего года, снизив тем самым трудоемкость и погрешность расчетов.
Очевидно, что функция распределения интенсивности дождя Jд (Pсг ) для среднего года дает возможность наиболее быстрого расчета Kнег.д. Расчеты Jд (Pсг ) можно провести с помощью модели Рек. МСЭ P.837, но предложенное для этого выражение имеет чрезвычайно громоздкий вид, а часть входящих в него параметров представлена в виде матриц с минимальным шагом в 1.5 по широте и долготе места, что требует применения процедуры интерполяции и не дает возможности последующей обработки такой функциональной зависимости.
В диссертационной работе была поставлена задача усовершенствования математической модели Jд (Pсг ), которая отвечала бы следующим требованиям:
- погрешность описания усредненного закона распределения для территории страны не должна превышать 8-10% в области Pсг 0.01% ;
- зависимость Jд от широты и долготы места должна отражаться в явном виде и должна быть представлена в форме отдельного блока в общей расчетной формуле;
- модель может содержать корректирующий коэффициент , дополнительно учитывающий специфику климатического района размещения трассы.
В результате проведенного в диссертации исследования было установлено, что функцию распределения Jд (Pсг ) для территории России целесообразно представить в следующем виде:
(-0.5397+3.05110-3lg2 Pсг ) (1.1), J = 2.48 104 Ш-2.0(Д + 25)-0.3 Рсг д где Ш и Д - широта и долгота в градусах. Величина корректирующего коэффициента , равная 0.95, 1.0 и 1.05, охватывает примерно 70% территории России.
В работе приведены рекомендуемые значения корректирующего коэффициента для всех регионов России.
Примененная в работе аппроксимация известного семейства графических зависимостей коэффициента локализации дождя позволила получить следующее выражение для Kr как функции двух переменных:
-(1.2) Kr = [1 + 3.5088 10-2 lg(0.19 J ) R0.33+ 0.545 lg(0.19J д )], д где Jд -интенсивность, мм/ч; R -длина трассы, км.
Для наиболее востребованных значений интенсивности 30-70 мм/ч и длин трасс 5-40 км максимальное значение отклонения составляет минус 5.5 %. При Jд = 90мм/ч отклонение возрастает до +8.4 %.
Если положить Kнег.д Pсг, то ослабление сигнала в дождях Vд должно быть равным запасу на замирания F на трассе, F = Kr R, (1.3) что соответствует максимально допустимому значению интенсивности дождя Jд m. Величина погонного ослабления связана с интенсивностью дождя = k Jд m.
Таким образом из (1.2) и (1.3) получаем -0.33+0.545lg(0.19J ) д m (1.4) ] k R Jд m, F =[1 + 3.5088 10-2 lg(0.19Jд m ) R в этом уравнении информация о значении Kнег.д заложена в интенсивности Jд m, F при которой полностью используется запас.
F Для того, чтобы отразить в более явном виде взаимозависимость между и Kнег.д, надо в (1.4) подставить полученное ранее уравнение (1.1), но результирующее выражение F(Pсг) получается весьма сложным и в таком виде не дает возможности прямого расчета значения Kнег.д, но позволяет выполнить обратный расчет.
Если значение F задано, то соответствующее ему значение Kнег.д можно найти, применив графический метод решения. Подобный прием используется в отечественных методиках. Другим путем решения задачи является проведение расчета с использованием итерации. В диссертации была поставлена задача изыскания способа прямого расчета Kнег.д при условии использования в решении данных, характеризующих ситуацию на трассе для Pсг = 0.01%.
Сравнивая ослабление сигнала на трассе при двух значениях максимальной интенсивности дождя Jд1 и Jд 2, первая из которых соответствует Pсг = 0.01%, применяя процедуру обращение функции и вводя вспомогательные параметры:
B1 = lg[0.19 Jд1] и B2 = B1 AiEi, i=где E = B1 + lg (F /( R)) и 3 A1 = ( B1 - 1)-1; A2 = 2A1; A3 =[2 2 + ( B1 - 1) 3]A1;
A4 =[5 ( B1 - 1) 23 + ( B1 - 1)24 + 5 3]A1 ;
2 A5 = [6 ( B1 - 1)2 24 + 3 ( B1 - 1)23 +14 4 + ( B1 - 1)3 5 + 21 ( B1 - 1) 23]A1 ;
2 - 1)3 25 + 7 ( B1 - 1)334 + 84 ( B1 - 1) 33 + ( B1 - 1)46 + 7 ( BA6 = A1 ;
2 + 28 ( B1 - 1)2 23 + 28 ( B1 - 1)2 24 + 42 5 1 = 0.43429 ; 2 = 0.43429 ln d - 0.217145 2;
3 = 0.217145 ln2 d - 0.43429 2 ln d + 0.144763 3;
4 = 7.2831610-2 ln3 d - 0.43429 2 ln2 d + 0.43429 3 ln d - 0.10857 4;
= 1.80954 10-2 ln4 d - 0.28953 2 ln3 d + 0.65143 3 ln2 d - 0.434294 ln d + + 8.6858110-2 5;
6 = 3.6190810-3 ln5 d - 0.14476 2 ln4 d + 0.651433 ln3 d - 0.86864 ln2 d + + 0.434295 ln d - 7.2381610-2 6;
d = R0.545B1;
= 3.5088 10-2 B1 R0.33, было получено аналитическое выражение для расчета коэффициента неготовности трассы, обусловленного дождями:
2+- (B2 - B1 )+0.2387 (B2 - B1)2.5682 (1.5) Kнег.д =.
Под руководством автора проведен эксперимент, целью которого являлось определение точности прогноза показателей качества ЦРРЛ в целом по методике МСЭ и отечественной методике (ГОСТ Р 53363), в том числе и значений коэффициентов неготовности в дождях. Для этого результаты расчета сравнивались с экспериментальными данными для ЦРРЛ диапазонов 18 и 23 ГГц. Эксперимент на 21 интервале ЦРРЛ, расположенных в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, проводился в периоды 28.10.07-26.11.07 и 8.05.08-30.09.08.
Последний из указанных периодов захватывает летний сезон, который в рассматриваемом регионе относится к наиболее неблагоприятному, с точки зрения воздействия среды распространения, сезону года. В диапазонах 18 и 23 ГГц исследовалось 10 и 11 интервалов, соответственно. Результаты расчета и измерений коэффициента неготовности приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.расчет расчет № инт. Длина, км измерения № инт. Длина, км измерения МСЭ ГОСТ МСЭ ГОСТ 18.1 12.7 0.000938 0.003092 0.002797 23.1 3.9 0.000124 0.000288 18.2 15.9 0.002531 0.007228 0.008070 23.2 8.2 0.002915 0.003617 0.002718.3 15.0 0.001876 0.005806 0.009472 23.3 9.1 0.001342 0.001919 0.01318.4 13.9 0.001177 0.003835 0.001608 23.4 17.6 0.012613 0.03212 0.019418.5 11.6 0.001379 0.003421 0.001113 23.5 7.9 0.003464 0.004951 0.000518.6 21.3 0.001458 0.009217 0.004883 23.6 6.8 0.001384 0.001878 0.002018.7 12.9 0.001232 0.003317 0.041847 23.7 10.8 0.001505 0.002106 0.001018.8 12.7 0.000677 0.002191 0.009281 23.8 8.3 0.002803 0.00379 0.007018.9 13.2 0.001285 0.003579 0.011821 23.9 7.9 0.002617 0.003271 0.005423.10 8.4 0.000933 0.001141 0.003818.10 17.9 0.002488 0.010187 0.018023.11 34.7 0.050331 0.116751 0.0814Из табл. 1.1 видно, что отечественная методика расчета по сравнению с методикой МСЭ обеспечивает более достоверный прогноз коэффициента неготовности для ЦРРЛ диапазонов 18 и 23 ГГц, расположенных на территории рассматриваемого региона.
Разделе 2. Параметры ослабления, в особенности на приземных трассах, неразрывно связаны с окружающими естественными и искусственными объектами, учет которых в расчетах может быть осуществлен путем использования ЦММ. С целью совершенствования информационного обеспечения расчета ослабления радиосигнала рассмотрены различные виды ЦММ, построенные на основе матричных и векторных цифровых карт местности, а также всемирных географических баз данных SRTM и GTOPO30.
Описаны технологии создания трехмерных ЦКМ, изложены общие принципы использования ЦКМ, содержащих высотную составляющую.
Проведено исследование требований по точности, предъявляемых при изготовлении цифровых карт при различном масштабе исходного картографического материала. Данное исследование позволяет не только выявить основные источники погрешностей прогноза ослабления радиоволн, связанных с описанием местности, но и оценить их количественно.
Разработаны алгоритмы построения профилей местности по векторным и матричным ЦММ. Для нескольких протяженных трасс проведено сопоставление профилей местности, полученных с помощью набора векторных ЦКМ (масштабы 1:50000, 1:100000, 1:200000, 1:500000), SRTM и GTOPO30.
В результате установлено:
- профиль, полученный по матрице SRTM, описывает общую огибающую высоты местности с учетом усредненной высоты подстилающей поверхности (застройки и растительного покрова);
- в профиле, полученном с помощью GTOPO30, представлена информация о рельефе, погрешность которой нарастает по мере увеличения изрезанности (перепада высот) на профиле;
- поскольку среднее расхождение имеет приемлемую величину, допустимо использование профилей местности, полученных по GTOPO30, для вычисления параметров моделей ослабления, использующих усредненные характеристики рельефа, например эффективную высоту антенн и т.п;
- точность определения высоты рельефа местности (при отсутствии застройки и растительности) по матрице SRTM примерно соответствует точности топографических карт масштаба 1:25000 - 1:50000, а GTOPO30 - 1:200000.
Как показывают исследования, проведенные в диссертации, большое значение для выбора подходящей модели ослабления радиоволн имеет наличие или отсутствие прямой видимости (ПВ) на трассе. В диссертации разработана процедура определения ПВ.
В некоторых методиках прогноза ослабления радиосигнала необходимо проводить классификацию трассы (или ее частей) по принадлежности к тому или иному климатическому району, поэтому автором предложена процедура такой классификации.
Модели дифракционного ослабления условно можно разделить на две группы: для сферических трасс, то есть таких трасс, на которых происходит ослабление радиосигнала, в том числе и за счет дифракции на сферической поверхности Земли, и модели для трасс, не являющихся сферическими (дифракция на препятствиях). В диссертационной работе впервые предложена процедура, в которой на основе профиля местности проводится определение степени сферичности трассы.
При проектировании зональных сетей необходимо иметь представление о территориальной зоне охвата сети в целом и зонах обслуживания конкретных БС. Ввиду невозможности расчета ослабления, имеющего место для каждой точки предполагаемого местоположения абонентских станций (АС), с одной стороны, и точки установки БС, с другой - расчету должна предшествовать так называемая разметка территории. В ходе процедуры разметки производится разбиение территории на фрагменты, внутри которых уровень сигнала, создаваемый конкретной БС, считается постоянным. В соответствии с этим ослабление на трассе, связывающей данную БС и точки внутри фрагмента территории, также принимается постоянным. Значение ослабления (уровень) присваивается каждому фрагменту по результатам расчета в отсчетной точке профиля, проходящего через фрагмент.
Алгоритм построения радиопокрытия (карты потерь) состоит из двух частей, одна из которых - непосредственное построение совокупности профилей, другая - расчет ослабления для отдельного профиля. Возможно несколько вариантов процедуры построения совокупности профилей. Наиболее распространено радиальное построение указанной совокупности для каждой БС. Недостатком данного метода является то, что при наличии на интересующей территории нескольких БС на каждую точку, на которой предполагается нахождение АС, будет накладываться по одному сектору карты потерь от каждой БС. И размеры, и пространственная ориентация указанных секторов, зависящие от взаимного местоположения АС и БС, в той или иной степени отличаются друг от друга.
Следовательно, построенная карта потерь (радиопокрытие) может рассматриваться только как промежуточная, требующая дальнейшей обработки.
Другими недостатками радиального метода построения профилей являются избыточность расчетных точек вблизи БС и одновременно их нехватка на большом удалении от БС. При этом уменьшение шага по азимуту и расстоянию вместе с устранением одного недостатка резко обостряет другой.
Подобных недостатков не возникает при использовании другого подхода к построению совокупности профилей и карты потерь. В качестве фрагментов территории, на которых уровень ослабления сигнала считается постоянным, можно рассматривать квадратные (в метровых или градусных единицах) ячейки сетки с размером стороны от 10 до 250 м.
Данная сетка может выступать отдельным слоем ЦКМ, элементами которой и являются ячейки, каждой из которых соответствует информация об ослаблении на трассах для всех БС.
Упрощенный алгоритм построения радиопокрытия (карты потерь) БС при предложенном подходе в общем виде состоит из следующих пунктов:
- задать высоты подвеса и азимуты антенн БС (приемных и передающих);
- задать размер ячейки сетки;
- поместить в специальный слой ЦКМ сетку с указанным размером ячейки (границы сетки определяются выбранной зоной охвата сети, каждой ячейке соответствует свой идентификационный номер i=1,...,n);
- определить координаты всех точек, соответствующих центрам ячеек;
- выделить трассу, соединив точку установки БС и центр ячейки с идентификатором i=1 (рис. 2.1);
- в зависимости от типа ЦММ провести построение профиля местности в соответствии с одной из вышеприведенных процедур;
- в точке 1 рассчитать ослабление (уровень сигнала) в соответствии с выбранной моделью;
- по аналогии построить трассы и рассчитать ослабление (уровень сигнала) для всех последующих точек i (i=2,...,n);
- используя информацию об энергетических характеристиках оборудования рассчитать уровень сигнала для всех точек i (i=1,...,n);
- каждой ячейке сопоставить фрагмент территории с уровнем ослабления, равным ослаблению в ее центральной точке.
При наличии в ЦММ информации о зданиях и сооружениях и использовании детерминистской модели ослабления можно производить расчет не только в точках центров ячеек, но и в узлах сетки. В этом случае ослабление (уровень сигнала) для каждого фрагмента территории будет вычисляться, как среднее из нескольких значений (четыре узла и центр).
Подобный способ позволяет определенным образом сгладить перепад уровней в соседних ячейках, если те, например, находятся в областях с различной степенью затенения. Такая ситуация часто возникает на территории с высотной застройкой. В этом случае точке, лежащей на профиле, не проходящим через здание, но расположенным вблизи него, будут соответствовать значительно меньшие потери, нежели такой же точке соседнего профиля, проходящего через данное здание. Применение описанного метода увеличит ослабление в точке с меньшим затенением и, наоборот, уменьшит - в более затененной точке, что соответствует реальной картине распределения уровня сигнала. Кроме того, этот способ призван скомпенсировать отсутствие учета явления боковой дифракции в различных моделях прогноза.
10-250 м i БС Рис. 2.В разделе 3 проводится анализ различных статистических и детерминистских моделей ослабления, применяемых при построении радиопокрытия в СПР и беспроводного доступа.
Приведено теоретическое обоснование модели Окамура-Хата, на основе которого проведен анализ границ и условий ее применимости. Показано, что результаты прогноза по модели хорошо согласуются для коротких городских трасс с результатами, полученными с помощью формул Кирхгофа с геометрооптическим определением лосвещенных отражающих площадок стен зданий и последующим усреднением по входящим в формулу параметрам городской застройки. Таким образом, можно считать, что модель для коротких городских трасс с равномерной равновысотной застройкой хорошо описывает ослабление радиосигнала, образованного в результате однократного рассеяния на стенах зданий, расположенных в непосредственной близости от пункта, погруженного в слой застройки. Приведенное теоретическое обоснование модели позволило разработать детерминистские поправки, вычисляемые на основе ЦММ. Теоретические значения поправок, учитывающие отличие параметров застройки, таких как средняя высота застройки h' и среднее расстояние прямой видимости 0', от соответствующих значений для района измерений, выполненных Окамура (г. Токио), могут быть записаны так:
h'-h , T (0' ) = 20 1g(0' ) + 40, W (h', h2 ) = 20 1g (3.1) 30 - h2 где 0' = 1/ 0'.
Алгоритмы вычисления поправок в сильной степени зависят от используемого типа ЦММ. В диссертации указанные алгоритмы приведены для рассмотренных типов ЦММ.
В случае, если разность высот БС и застройки мала, влияние кривизны земной поверхности на дифракционные затенения застройкой начинает сказываться на расстояниях порядка нескольких километров. Это обстоятельство может быть учтено путем введения эффективного значения высоты БС, однако такого рода уточнение может быть использовано только при R < Rг, где Rг - дальность радиогоризонта. Полноценный учет дифракции за счет сферичности Земли, может быть осуществлен при использовании формул геометрической теории дифракции. Результатом вычислений должен являться множитель ослабления F. Трудность вычисления связана с тем, что оно должно выполняться не только для зоны глубокой тени (дифракции), но и для зоны полутени (промежуточной), а единое выражение для этого отсутствует. Для вычисления F в диссертации разработана специальная процедура, позволяющая избежать разрыва результата на границе двух зон. Для дифракционной зоны получено аналитическое выражение, учитывающее первые два члена разложения множителя ослабления:
(3.2) 20lg(F ) 20lg(F1 )+ 10lg(1 + 2M cos(At) + M ), в котором первое слагаемое определяется с помощью известной одночленной формулы (Рек. МСЭ P.526) и M = 0.76234g(Y1)g(Y2 ) exp(- 1.51541X ), At = Aw2 (Y1) + Aw2(Y2 ) - Aw1(Y1) - Aw1(Y2 ) - 0.87492X, - 0.1864Y 2 0.2855Y + 2.789- для m = Aw1(Y ) =, [y(m) ]/[y(m) - y(m -1)] для m > + y(m -1) - 2Y - 0.1991Y 2 0.4743Y - 0.36- для m = Aw2(Y ) =, [y(m) ]/[y(m) - y(m -1)] для m > + y(m -1) - 2Y y(n) = ammbm, m = 0,1, 2..., где X и Y - приведенные расстояние и высота подвеса антенны соответственно, а параметры am и bm табулированы.
В УВЧ диапазоне расхождение между значениями, вычисленными с помощью одночленного выражения, и истинными значениями составляет 1.5 дБ.
Применение формулы (3.2) уменьшает погрешность до 0.2 дБ.
Статистические модели ослабления радиосигнала получены на основе усреднения большого объема экспериментальных данных, суть большинства из них может быть представлена с помощью общего выражения:
(3.3) L = 10n lg R + K, дБ, которое означает, что ослабление является логарифмической функцией расстояния с экспонентой потерь n плюс некоторый параметр сдвига K. Каждая модель имеет собственный набор величин n и K.
Статистические модели дают удовлетворительный прогноз только при применении на территориях с условиями распространения, схожими с теми, в которых были получены экспериментальные данные для модели. Улучшить качество прогноза можно с помощью калибровки параметров n и K модели для чего в диссертации разработана соответствующая процедура. Приведены примеры калибровки.
Физико-статистическая методология прогноза ослабления весьма привлекательна в отношении трасс в СПР, особенно когда канал является случайным образом изменяющимся во времени из-за движения механизмов, людей или других рассеивателей. В связи с этим подвергнута анализу Рек. МСЭ Р.1546 как содержащая наиболее востребованную на сегодняшний день модель указанного типа.
Расчет детерминистских поправок, применяемых в модели, рассмотрен с точки зрения использования описанных в диссертации ЦММ, а также в их отсутствии. С целью расширения условий применимости модели, в частности, для учета расположения базовой/передающей антенны ниже уровня подстилающей поверхности разработана соответствующая поправка. Также для поправки, учитывающей расположение приемной/подвижной антенны, приведено теоретическое обоснование, которое позволило провести ее модификацию в зависимости от применяемых при построении профилей ЦММ.
На рис. 3.1 проиллюстрирован физический смысл модифицированной высоты подстилающей поверхности для равнинной местности в предположении, что АС погружена в слой застройки высотой H, а БС расположена над слоем.
БС clut h x H HТ АС hR a Рис. 3.Из рис. 3.1 модифицированная высота определяется так:
h1 - H = (RH - ah1) /(R - a).
H ' = H - x = H - a tan = H - a (3.4) R - a При a = 15м (одна из усредненных характеристик застройки) это выражение совпадает с приведенным в Рек. МСЭ Р.1546. Однако при наличии ЦММ, содержащей информацию о зданиях и сооружениях, это значение, наряду с H, может быть определено прямо из профиля. Кроме того, нужно учесть, что трасса может не быть плоской и тогда, при наличии затенения рельефом, в (3.4) должна фигурировать вместо высоты БС h1 соответствующая приведенная высота препятствия рельефа местности, а анализу должны подвергаться только объекты застройки последнего подынтервала трассы. При этом высоты объектов тоже должны быть скорректированы в соответствии с рельефом.
Для учета указанных обстоятельств в диссертации предложен следующий способ вычисления модифицированной высоты подстилающей поверхности H' на основе данных о профиле местности(рис. 3.2), содержащем здания и сооружения:
H' = H'i.
max (3.5) i БС hHТHHHHHТАС HТhHТd aaaaРис. 3.Аналитическое выражение для вычисления набора значений H'i записывается следующим образом:
H'i = max(1, (RH''i -ai[h1 + y0 - yend ]) /(R - ai )), min(yi, ai H / R + h2 + yend ) для H (3.6) H''i = Hi - z2 +, min, (R - ai ) H / R + h1 + y0) для H < (yi H = h1 + y0 - (h2 + yend ), где Hi - абсолютная высота i -го объекта застройки на трассе; yi - высота рельефа местности под i -м объектом застройки; y0, yend - высоты рельефа местности в начале и конце трассы при отсутствии затенения рельефом, при наличии затенения рельефом y0 - высота рельефа на последнем подинтервале трассы (при этом принимается h1 = 0).
Найденное с помощью (3.5) значение H' используется в расчетах поправки наряду с соответствующим ему значением ai, то есть расстоянием до наиболее затеняющего здания.
Для ЦММ с квартальной застройкой модифицированная высота рассчитывается согласно приведенному в Рек. МСЭ Р.1546 выражению, но при этом параметры H и a определяются следующим образом:
- при нахождении АС внутри объекта застройки или ее затенении таковым H определяется высотой объекта или при ее отсутствии - его типом;
- при нахождении АС внутри объекта застройки a определяется типом объекта: 15, 20 и 30 м для городской, пригородной и сельской застройки соответственно;
- при затенении АС объектами застройки (с учетом высоты рельефа под зданиями) a определяется расстоянием до границы последнего затеняющего объекта, которое в расчете ограничивается снизу значениями 15, 20 и 30 м для городской, пригородной и сельской застройки соответственно.
При выводе выражения для параметра дифракции v, входящего в поправку, наряду с модифицированной высотой используются выражения (3.4) и рис. 3.2, с помощью которых определяется угол дифракции:
H - h2 h1 - H H '-h - =.
tanclut = tan( - ) (3.7) a R - a a Применяя определение параметра v через угол clut, получаем:
v = 2hdif tanclut/ = 0.08165(H'-h2 ) f / a, (3.8) где f в МГц, остальные величины в метрах.
Выражение для расчета поправки на основе профиля местности, содержащего в явном виде информацию о застройке, следующее:
6.03 - LD() для h2 < H' Kh2 =, (3.9) 0 для h2 H' где LD() - ослабление при дифракции на полуплоскости.
Кроме того, в диссертации для коротких трасс (менее 1 км) разработана процедура вычисления ослабления, основанная на принципах, заложенных в Рек. МСЭ Р.1546. В результате исчезает нижняя граница применимости модели по расстоянию и, соответственно, значительно расширяются возможности ее практического применения.
В современных условиях высокого городского трафика радиус зоны обслуживания БС составляет несколько сот метров. При распространении на столь коротких трассах радиоволна испытывает воздействие скорее со стороны зданий и деревьев, нежели со стороны неоднородностей рельефа. Таким образом, основной вклад в распространение радиоволн вносит многократная дифракция на крышах зданий.
В настоящее время предложено несколько детерминистских моделей, учитывающих многократную дифракцию на ряде зданий, наиболее известными из которых являются модели Ксиа и Уолфиша-Икегами, положенные в основу Рек. МСЭ P.1411, и рассмотренные в работе. Согласно этим моделям, ослабление определяется выражением:
L = LF + Lrts + Lmsd, (3.10) где LF - ослабление в свободном пространстве, Lrts - описывает ослабление за счет дифракции с крыши соседнего здания на улицу, на которой находится абонентская станция (АС), а также потери при рассеянии; Lmsd - описывает множественную дифракцию на крышах зданий.
Качество прогноза ослабления зависит от многих факторов. В частности, от того, насколько упрощения и предположения, введенные в модели, применимы к конкретной ситуации. Общими недостатками моделей Ксиа и Уолфиша-Икегами являются предположения о равновысотной застройке территории и двусторонней застройке улиц. Кроме того, модели имеют ряд собственных специфических недостатков.
В работе предлагается новая детерминистская модель, которая является симбиозом двух указанных моделей (модифицированная модель). Расчет осуществляется на основании анализа профиля трассы, построенного между БС и АС.
При отсутствии ПВ между станциями устанавливается количество зданий на профиле, которые попадают в пределы первой зоны Френеля, построенной вдоль линии, соединяющей БС и главное затеняющее препятствие на трассе.
Здания, попавшие в пределы первой зоны, могут быть идентифицированы, как существенные для формирования поля в точке приема. В соответствии с их количеством вычисляется член Lmsd в формуле (3.10).
Дифракционно-отраженная компонента ослабления Lrts представлена в следующем виде:
2 1 1 - Фпл2 1 - 1' 2 + 1' 2' 2 + 2' +, Lrts = -10lg (3.11) 42 (hгл - h2 )2 + x2 (hгл - h2 )2 + (2W - x)2 где 1' и 2' - углы дифракции и падения соответственно, x - расстояние до главного препятствия, w- расстояние между дифракционным и отражающим экранами.
Первое слагаемое в фигурных скобках выражения (3.11) отвечает за дифракцию на главном препятствие, второе - описывает поле мнимого источника с амплитудой, пропорциональной коэффициенту отражения от стен для определенных поляризаций волны, значений диэлектрической проницаемости и проводимости строительного материала. Немаловажным фактором является то, что отражающая поверхность зданий не является сплошной, а как правило, имеет некоторый процент оконных блоков. Поскольку необходимая для этого информация неизвестна в большинстве случаев, используется некоторый дополнительный эмпирический множитель в коэффициенте отражения Френеля. В результате отраженная волна ослабляется в среднем на 3-8 дБ.
Многочисленные измерения, проведенные, в том числе и в диссертации, показывают, что применение формулы ослабления в свободном пространстве для вычисления ослабления при наличии ПВ между БС и АС некорректно и ведет к серьезной недооценке ослабления, которая увеличивается при удалении АС от БС. Всегда следует отличать ситуацию реальной прямой видимости и ее трактовки с помощью профиля, поскольку на нем отражаются только определенные объекты. Столбы освещения, рекламные щиты, объекты инфраструктуры, отдельно стоящие деревья, автотранспорт - информация о таких объектах не представлена ни в одной ЦММ. Между тем они могут создать серьезное затенение антенны АС, находящейся вблизи земной поверхности. В диссертации предложено учитывать ПВ статистически, используя кривые напряженности поля Рек. МСЭ P.1546. С их помощью может быть получено значение ослабления L1546 lim L1546 LF , которое следует использовать вместо LF.
R0 Поскольку использование мобильной связи в домашних условиях, в офисах и учреждениях стало повсеместным, при ЧТП необходимо рассматривать радиопокрытие, в том числе внутри зданий и сооружений, и, следовательно, нужны модели и методики расчета ослабления при нахождении АС внутри помещений. Модели должны опираться на те же принципы расчета, что и для ситуаций вне зданий, то есть использовать в качестве исходных данных профили местности. При этом на профиле застройка должна, безусловно, содержаться в явном виде. В связи с этим в работе проведены исследования:
- ослабления при проникновении радиоволны внутрь объекта застройки;
- дополнительного ослабления по мере распространения радиосигнала внутри объекта застройки;
- сквозного прохождения радиоволной объекта застройки.
В качестве базовой модели ослабления принята модель ЕТСИ, согласно которой при наличии ПВ (рис. 3.3а) между фасадом здания, в котором располагается АС, и внешней антенной БС, ослабление рассчитывается с помощью выражения:
(3.12) LLOS = LF + Le + L=90(1 - D/S)2 + max(L1, L2), где L=90 - ослабление внешней стеной при нормальном падении ( = 90 ), Le минимальное ослабление при проникновении в здание.
d n=внутренняя стена, Li n= Lout n= D внешняя стена, Le S hout а) б) БС Рис. 3.В отсутствии ПВ (рис. 3.3б) ослабление задается выражением LNLOS = Lout + Lh, (3.13) где Lout - ослабление вне здания на уровне улицы hout и Lh = Le + L'=90 + max(L1, L3) - Gh, (3.14) (3.15) L1 = Li p, L2 = (d - 2)(1- D/S)2, L3 = d, Gh = (h - hout)Gh.
В диссертационной работе на основе проведенных экспериментов уточнены параметры выражений (3.12)-(3.15), которые приведены в табл. 3.1.
Для увеличения верхней границы применимости (3.12), которая установлена ЕТСИ на расстоянии 1 км, вместо ослабления в свободном пространстве LF предложено использовать L1546.
Таблица 3.частота 0.95 ГГц 1.85 ГГц 2.12 ГГц параметр Le, дБ 4.5 4.1 5.Li, дБ - - 5.L'=90, дБ 0Gn, дБ/этаж 2.15 1.75 1.Gh, дБ/м 0.72 0.58 0.Следует также отметить, что в модели ЕТСИ никак не описана пограничная ситуация, когда верхние этажи здания лосвещены, а нижние затеняются впереди стоящими зданиями. Прямое применение соответствующих частей модели неизбежно приведет к значительному разрыву на границе света и тени. В диссертации предложено для таких случаев ввести усреднение результатов, полученных при расчете по формулам (3.12) и (3.13).
Применение при расчете ослабления внесенных предложений позволяет снизить среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки прогноза по модели ЕТСИ с 8.7 до 6.6 дБ.
Для анализа лосвещенности зданий разработана специальная процедура, позволяющая выявить наиболее вероятный путь прохождения радиоволны до терминала внутри здания.
Для выявления значимости механизма прохождения радиоволны сквозь здание на формирование поля вне зданий и сооружений в работе проведены соответствующие экспериментальные исследования в диапазоне 950, 1850 МГц.
При сопоставлении рассчитанных по дифракционным формулам значений ослабления с измеренными обнаружено значительное превышение первых над последними для случая нахождения АС за освещенными БС фасадами зданий, расположенных на небольшом удалении от БС. Тем самым, можно считать доказанным значимость рассмотренного механизма распространения, учет которого в расчетах должен проводится, например с использованием погонного ослабления, значения которого по результатам эксперимента, варьировались в диапазоне от 2 до 2.4 дБ/м.
В работе отмечается, что во избежание ошибок расчета конечного значения ослабления, следует тщательно анализировать условия распространения радиоволн в месте приема на предмет возможности возникновения рассеяния от близлежащих зданий и сооружений. На частотах выше примерно 100 МГц размеры большинства городских строений во много раз превышают длину волны, что иногда приводит к образованию значительных по уровню рассеянных сигналов даже внутри затененных зон. Количественной оценке уровня сигнала, обусловленного рассеянием, посвящен один из подразделов диссертации.
При расчете необходимо ограничить число потенциальных рассеивателей, чтобы решать дальнейшие задачи путем последовательного перебора. Как правило, наиболее опасные рассеиватели находятся в непосредственной близости от оконечных пунктов. В диссертации разработана процедура поиска потенциальных рассеивателей на основе вычисления расстояния прямой видимости между двумя точками по статистическим характеристикам застройки. Отобранные потенциальные рассеиватели, точнее говоря, их стены, должны быть ориентированы соответствующим образом, чтобы создать рассеянную волну (рис. 3.4).
Для проверки затенения стена здания разбивается на участки, например квадраты со стороной 1 м. До каждого из участков должен быть построен профиль местности, с помощью которого далее должно быть оценено наличие ПВ. В общем случае только m участков из n будут участвовать в формировании поля.
B(x2,y2,h2) r2 rs2 rr zN yrs x0 C(xs i, j, ys i, j,hs i, j) s R r1s r A(x1,y1,h1) Рис. 3.Рассеянная часть мощности scat связана с мощностью, прошедшей через поверхность trans, соотношением (3.16) scat + trans = 1, trans = 10-(Le+(L)(1-cos') )/10.
Распределение scat в пространстве (индикатриса рассеяния) неравномерно и зависит от углов падения и наблюдения , характеристик конструкции.
В работе получено следующее эмпирическое выражение для индикатрисы рассеяния участка поверхности:
(3.17) R() = Фпл2 s2 exp(- p ), где Фпл - модуль коэффициента отражения Френеля, коэффициент s и показатель p зависят от неровности и электрических характеристик поверхности.
Точность расчета с помощью выражения (3.17) проиллюстрирована на рис. 3.5.
металл измер.
металл расчет красн. кирпич V измер.
красн. кирпич H измер.
красн. кирпич V расчет 10 бел. кирпич V измер.
бел. кирпич H измер.
бел. кирпич V расчет 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 угол, град Рис. 3.Мощность, рассеянная стеной здания, определяется с помощью выражения:
PПРД2 m (1 - trans )ПРДi,jGПРДi,jПРМi,jGПРМi,j cos', Pсиг рас = R() exp(-ik( r1s + rs2 )) (3.18) (4)3 (x1s 2 + y1s2 + z1s2 )(xs22 + ys22 + zs22 ) i,j PПРД - мощность излучения, GПРДi,j (GПРМi,j ) -коэффициент усиления антенн БС(АС) в направлении на участок стены; ПРД (ПРМ ) -суммарное дополнительное ослабление радиосигнала на трассе между БС(АС) и участком стены.
Рассеяние радиоволны на земной поверхности, как правило, не является механизмом распространения, посредством которого осуществляется радиосвязь.
Напротив, паразитное рассеяние может привести к ухудшению качества связи или полному ее пропаданию. Таким образом, при проектировании сетей связи данный механизм необходимо учитывать в качестве одного из источников доИндикатриса, дБ угол зерк. отражения полнительных помех. В основном, это касается сетей фиксированной связи (радиорелейных, спутниковых, абонентского радиодоступа). В диссертации проанализирована методика расчета мощности рассеянного сигнала, приведенная в Рек. МСЭ F.1096. Выполнен уточняющий вывод соотношений для вычисления элементарной зоны рассеяния, который положен в основу новой версии этой Рекомендации.
Для России, большая часть которой покрыта лесом, вопрос ослабления за счет растительного покрова весьма важен. В связи с этим рассмотрена Рек.
МСЭ Р.833, в которой для вычисления дополнительного ослабления при расположении одного из терминалов радиолинии внутри растительного покрова или за ним, предложено следующее расчетное выражение:
A = Am(1- exp(-d / Am )), дБ, (3.19) где d - длина участка трассы, проходящего через лес, м; - погонное ослабление, (дБ/м); Am - максимальное ослабление при прохождении через растительность.
В Рек. МСЭ Р.833 приведены типичные значения , полученные в результате разнообразных измерений в широком диапазоне частот на трассах, проходящих по лесистой местности. Также отмечается, что представленные значения являются приблизительными, усредненными для многих типов леса.
Зависимость Am от частоты имеет вид (3.20) Am = A' f, дБ, где f в МГц. Входящие в формулу (3.20) параметры A' и зависят от типа и плотности растительности.
Для увеличения точности расчетов дополнительного ослабления для каждого региона желательно иметь свои значения , A' и , поскольку отличия могут быть весьма значительными.
В ходе диссертационного исследования, в целях уточнения параметров модели для растительности средней полосы России, в диапазонах 100, 450, 950, 1850, 2100 МГц проведены экспериментальные измерения в двух лесопарковых зонах Санкт-Петербурга, для которых характерно наличие смешанной хвойнолиственной растительности с высотой 12...16 м, среднее расстояние между деревьями - 2...3 м, плотности -20..10 др./сот.
В результате экспериментов показано хорошее совпадение расчетного и измеренного значений погонного ослабления. В табл. 3.2 для каждой из частот, на которой проводился эксперимент, приведено значение измеренного параметра Am, которому соответствует максимальное медианное значение дополнительного ослабления среди всех площадок всех трасс измерений. На основе этих значений были рассчитаны параметры выражения (3.19), которые составили A' = 1.37 дБ и = 0.42.
Полученные значения параметров функции максимального ослабления в растительности включены в новую версию Рек. МСЭ P.833.
Измерения на частоте 950 МГц, проведенные в летний и осенний периоды, не выявили заметных отличий в ослаблении радиосигнала.
Таблица 3.частота, МГц 105.9 466.475 949.0 1852.2 2117.параметр , дБ/м 0.04 0.12 0.17 0.30 0.Am, дБ 9.4 18.0 26.5 29.0 34.Полученные автором результаты могут быть использованы при моделировании радиопокрытия различных сетей электросвязи. Однако следует оговорить способ вычисления по ЦММ длины участка трассы, проходящего по лесу. На картах местности (первоисточниках ЦММ) площадные объекты растительности изображаются весьма условно, при этом изображаемое положение кромок леса может отличаться от реального на десятки или сотни метров. Чем более мелкомасштабной является карта, тем менее точным будет описание. В связи с этим рекомендуется при использовании ЦММ, составленных на основе мелкомасштабных карт, не прибегать к вычислениям длины d при расположении терминала внутри объекта, а полагать A = Am, что в таких случаях нисколько не снизит точности, но сократит время вычислений.
В Разделе 4 представлены результаты проведенных в ходе диссертационной работы масштабных экспериментальных измерений уровней сигналов БС СПР вдоль 27 трасс, расположенных в нескольких районах Санкт-Петербурга.
Измерения проведены для четырех диапазонов частот: 450, 950, 1850 и 2100 МГц. Общее количество точек измерений превысило пять тысяч.
Проведено сопоставление результатов измерений и расчетов по рассмотренному в разделе 3 модельному ряду c привлечением следующих ЦММ:
- GTOPO30;
- мелкомасштабная ЦММ (первоисточник - карта масштаба 1:50000);
- крупномасштабная ЦММ (первоисточник - кадастровый план).
В табл. 4.1 приведены среднее значение и СКО ошибки прогноза для различных моделей.
Анализ результатов измерений и расчета.
Разработанная в диссертации методика применения мелкомасштабных ЦММ при расчетах поправок (полученных автором) к модели Окамура-Хата, позволила повысить точность прогноза на 18 трассах, причем для 9 из них точность возрастает значительно. Незначительное ухудшение точности при этом возникает всего на 2 трассах. Применение крупномасштабных ЦММ при расчетах разработанных поправок дало возможность повысить точность модели Окамура-Хата на 17 трассах, причем для 8 из них точность возрастает значительно. Ухудшение точности при этом наблюдается на 4 трассах.
Данные, полученные в ходе измерений, позволили провести калибровку модели Окамура-Хата по разработанному в диссертации алгоритму. В результате для различных территориальных зон Санкт-Петербурга рассчитаны параметры калибровки (табл. 4.2), которые в большинстве случаев увеличивают точность прогноза по модели.
Ослабление заметно завышается при использовании модели Рек.
МСЭ P.1546 без привлечения ЦММ, а СКО ошибки прогноза для трех трасс превышает 10 дБ, что говорит об отсутствии адекватного учета среды распространения. В связи с этим расчет по модели без применения ЦММ следует проводить скорее в целях оценки верхней границы ослабления, чем для построения радиопокрытия.
Предложенные алгоритмы вычисления поправок с применением ЦММ различных типов при расчетах ослабления по модели Рек. МСЭ P.1546 позволили значительно увеличить точность прогноза. При этом она заметно возрастает при переходе от мелкомасштабной к крупномасштабной ЦММ. Применение ЦММ в совокупности с процедурой расчета для коротких трасс распространения радиосигнала предоставляет возможность использования Рек. МСЭ P.15для прогноза ослабления на расстояниях менее 1 км без ущерба для точности.
Наилучшее качество прогноза ослабления среди рассмотренных детерминистских моделей может быть получено с помощью предложенной автором модифицированной модели. Поскольку указанная модель более полно использует информацию о застройке, требование к точности ЦММ, касающееся высотности зданий и сооружений, по сравнению с моделями Ксиа и Уолфиша-Икегами, повышается.
Наибольшее несоответствие экспериментальным данным результатов расчета по детерминистским моделям и модели Рек. МСЭ P.1546 наблюдается в тех местах трасс, где ввиду характера застройки решающий вклад в уровень сигнала вносит дифракция на боковых кромках зданий. К сожалению, учесть отмеченный механизм при расчетах ослабления на основе профиля местности не представляется возможным, но скорректировать результат в процессе последующего построения радиопокрытия можно за счет метода, предложенного в разделе 2.
В районах с разновысотной застройкой возможно появление сильных рассеянных сигналов. Данное явление с хорошей точностью описывается с помощью алгоритма вычисления рассеянного сигнала, предложенного в работе.
При высоких требованиях к точности расчета должное внимание необходимо уделять влиянию растительного покрова городской территории на ослабление радиоволн. В связи с этим следует по возможности более точно представлять объекты растительности в ЦММ. Ввиду большой доли хаотичности объектов данного вида, полное их описание не представляется возможным. Поэтому внимание следует обратить, прежде всего, на плановые посадки, какими являются аллеи вдоль дорог, садово-парковые массивы. Использование информации о данных объектах при расчетах может значительно улучшить результаты прогноза ослабления.
Таким образом, на основании проведенных исследований ослабления сигнала в УВЧ диапазоне можно рекомендовать проводить выбор в паре Модель ослабления - ЦММ для территории с застройкой согласно табл. 4.3.
Таблица 4.Со значительными Без перепадов рельефа перепадами рельефа1) без ЦММ Окамура-Хата2,3) Окамура-Хата4) с квартальной Окамура-Хата 3) Окамура-Хата5) застройкой с застройкой Рек. МСЭ P.1546 7,9) для разновысотной застройки в виде зданий и Рек. МСЭ P.1546 6,7,9) Модиф. модель9) для равновысотной8) застройки сооружений Примечания:
1) Перепад уровня местности считается значительным, если превышает величину средней высоты застройки в заданном районе.
2) Информация о рельефе может быть получена из матрицы GTOPO30.
3) Применяется разработанная поправка на рельеф местности.
4) При наличии экспериментальных данных следует провести калибровку модели.
Для Санкт-Петербурга следует воспользоваться полученными в работе результатами (табл. 4.2).
5) Применяются разработанные поправки (3.1).
6) Поправка для коротких городских трасс не применяется.
7) Применяются поправка на высоту АС и, при необходимости, поправка на высоту БС при расположении антенны ниже уровня застройки.
8) Застройка считается равновысотной, если высота основной части составляющих ее объектов отличаются менее чем 20-30%. Оценка проводится для предполагаемой зоны обслуживания конкретной БС.
9) При нахождении АС внутри объекта застройки расчеты проводятся в соответствии алгоритмом раздела 3.
Необходимо дать несколько общих замечаний по расчету:
-при нахождении АС внутри объекта растительности или затенения таковым следует проводить вычисление дополнительного ослабления по модели Рек. P.833 c уточненными в работе параметрами;
-при установлении с помощью ЦММ прямой видимости между БС и АС следует использовать для расчета ослабления кривые напряженности поля Рек. МСЭ P.1546;
-для зон обслуживания малого радиуса (примерно до 1 км) при наличии в ЦММ информации о зданиях и сооружениях необходимо учитывать возможность образования поля вместе приема за счет прохождения радиоволны сквозь здания и в результате рассеяния.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ По результатам исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, получены следующие результаты и сделаны следующие выводы:
1. Разработана методика расчета коэффициента неготовности радиолинии при воздействии дождей.
2. Впервые разработана аналитическая процедура определения сферичности трассы по профилю местности.
3. Для учета дифракционного множителя ослабления, связанного со сферичностью земной поверхности, разработана специальная процедура вычисления, позволяющая избежать разрыва результата на границе промежуточной и дифракционной зон.
4. Выполнен анализ статистических и детерминистских моделей ослабления с использованием единого подхода к описанию местности с помощью ЦММ.
5. На основании синтеза различных детерминистских моделей ослабления для СПР разработана новая модель, позволяющая получить более точный прогноз.
6. Для модели ослабления зданиями и сооружениями, на основе проведенных экспериментов уточнены параметры, расширена граница применимости по расстоянию, решен вопрос о полуосвещенных зданиях.
7. Экспериментально доказана значимость механизма прохождения радиоволны сквозь здание при формировании поля вне зданий и сооружений. Предложен способ учета указанного механизма.
8. Разработана методика оценки уровня сигнала, обусловленного рассеянием, на поверхности здания.
9. Получены соотношения для вычисления элементарной зоны рассеяния земной поверхности, внедренные Рек. МСЭ F.1096.
10. Уточнена функциональная зависимость максимального ослабления радиосигнала в растительном покрове.
11. Разработан алгоритм выбора модели ослабления при отсутствии ЦММ, а также при наличии ЦММ определенного типа.
12. Применение разработанных, а также модернизированных в диссертации моделей повышает точность расчета ослабления радиосигнала.
13. Разработанные методики являются аналитическими и доведены до алгоритмов и формул, поэтому расчет может быть полностью автоматизирован.
14. Полученные в работе результаты:
- внедрены в различных государственных стандартах и методиках, а также в Рекомендациях МСЭ;
- использованы при выполнении многих проектов СПР, ЦРРЛ, телевидения и радиовещания;
- применены при создании ПО для проектирования сетей электросвязи.
В Приложении представлены акты внедрения диссертационной работы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, включенных в Перечень ВАК для докторских диссертаций или находившихся в этом перечне на момент опубликования 1. Василенко Г.О. Обзор методов расчета характеристик радиополя в условиях городской застройки/ Василенко Г.О., Иванов М.А. // Труды учебных заведений связи. -2000. - №166. - С.91-98.
2. Василенко Г.О. Учет дифракции в методиках расчета поля радиоволн в условиях городской застройки для систем подвижной связи/ Василенко Г.О., Иванов М.А.// Труды учебных заведений связи. - 2001. - №167. - С.103-115.
3. Василенко Г.О. Современная методика частотно-территориального планирования систем сотовой связи/ Василенко Г.О., Милютин Е.Р.// Вестник связи. - 2000. -№ 2. - С. 16-18.
4. Василенко Г.О. Экспериментальная проверка детерминистских моделей расчета ослабления поля в городе/ Милютин Е.Р., Василенко Г.О. // Радиотехника и электроника. - 2005. - Т.50.- № 12. - С. 1451-1454.
5. Василенко Г.О. Повышение точности расчета ослабления поля с помощью калибровки и цифровых карт местности / Василенко Г.О., Милютин Е.Р.// Электросвязь. - 2004. - № 2. - С. 38-41.
6. Василенко Г.О. Использование технологий геоинформационных систем для расчета радиопокрытия сотовых систем связи/ Милютин Е.Р., Василенко Г.О. // Вестник связи. - 2003. -№ 9. - С.85-87.
7. Василенко Г.О. Методы расчета напряженности поля дециметровых волн в городе / Милютин Е.Р., Василенко Г.О.// Вестник связи. - 2004. -№ 5. С.74-75.
8. Василенко Г.О. Расчет показателей готовности трактов цифровых радиорелейных линий связи/ Антипенко В.А., Василенко Г.О. // Электросвязь. - 2004.
- № 12. -С. 19-23.
9. Василенко Г.О. Расчет коэффициента неготовности интервала радиорелейной линии связи, обусловленного воздействием дождей/ Антипенко В.А., Василенко Г.О. // Мобильные системы. - 2005. - № 2. -С. 16-20.
10. Василенко Г.О. Математический аппарат для расчета ослабления радиоволн в промежуточной и дифракционной зонах // Радиотехника и электроника. 2008. - Т.53. -№ 2. - С. 213-216.
11. Василенко Г.О. Ослабление радиосигналов при распространении в лесной зоне // Электросвязь. - 2008. - № 11. - С. 44-45.
12. Василенко Г.О. Моделирование ослабления сигналов сетей подвижной связи зданиями и сооружениями// Радиотехника. - 2010. - № 1. - С. 107-112.
13. Василенко Г. О. Экспериментальная проверка методик расчета показателей качества и готовности цифровых радиорелейных линий // Радиотехника. 2011. - № 2. - С. 37-42.
Другие публикации 14. Василенко Г. О. Исследование современных методов расчета потерь распространения в радиолиниях дециметрового диапазона, работающих в условиях города. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. СПб, 2002.
15. Василенко Г.О. Методы расчета поля в системах связи дециметрового диапазона/ Милютин Е.Р., Василенко Г.О., Сиверс М.А., Волков А.Н., Певцов Н.В.// СПб.: Триада, 2003. -159 с.
16. Василенко Г.О. Расчет показателей качества и готовности цифровых линий связи /Василенко Г.О., Милютин Е.Р.// СПб.: Линк, 2007. -192 с.
17. Василенко Г.О. Риск превышения нормы на коэффициент неготовности радиорелейной линии за длительный период эксплуатации/ Василенко Г.О., Антипенко В.А.// Мобильные телекоммуникации. - 2008. - № 2. - С. 27-29.
18. Василенко Г.О. Принципы частотного планирования в системах подвижной связи и беспроводного радиодоступа с частотным разделением каналов // Мобильные телекоммуникации. - 2008. - № 6. -С. 15-19.
19. Василенко Г.О. Алгоритмы частотного планирования сетей подвижной связи /Овчаренко А.В., Василенко Г.О.// Мобильные телекоммуникации. - 2009.
- № 2. -С. 32-35.
20.Василенко Г.О. Оценка ослабления сигналов сетей подвижной связи на коротких трасах прямой видимости // Электроника: Наука, Технология, Бизнес.
- 2008. - № 4. - С. 72-74.
21.Василенко Г.О. Современные методики расчета ослабления радиоволн в условиях городской застройки/ Василенко Г.О., Иванов М.А.// 55 научнотехническая конференция: Тезисы докладов. СПбГУТ. - СПб., 2001. - № 55.
-С.67.
22.Василенко Г.О., Иванов М.А. Учет дифракции в методиках расчета поля радиоволн в условиях городской застройки для систем подвижной связи/ Василенко Г.О., Иванов М.А.//55 научно-техническая конференция: Тезисы докладов. СПбГУТ. - СПб, 2001. - № 55. -С.67-68.
23.Василенко Г.О. Достоверность информации о заявляемых РЭС, как необходимое условие рационального использования РЧС // Международная конференция СПЕКТР-2006: Тезисы докладов. - М., 2006.
24.Василенко Г.О. Принципы частотного планирования в системах подвижной связи и беспроводного радиодоступа //Международный телекоммуникационный симпозиум Мобильная связь: Сборник докладов. - СПб., 2007. С.68-74.
25.Василенко Г.О. Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества и готовности. Методы расчета // Научно-техническая конференция Физика и технические приложения волновых процессов: Тезисы докладов. - СПб., 2009.
- С.69.
26.Василенко Г.О., Иванова Т.В. О разработке национального стандарта Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества. Методы расчета /Василенко Г.О., Иванова Т.В.//62 научно-техническая конференция: Материалы. ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2010. -С.13-14.
27.Василенко Г.О. Уточнение метода расчета помех в линиях прямой видимости в Рекомендации МСЭ-Р F.1096// Сборник трудов 65-й научнотехнической конференции СПбНТОРЭС им. А.С. Попова: Тезисы докладов. - СПб., 2010. -С.237-238.
28.Василенко Г.О. Результаты экспериментальных исследований ослабления радиоволн в лесопарковой зоне Санкт-Петербурга //63 научно-техническая конференция: Материалы. ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2011. -С.19-21.
29.Программное обеспечение для расчета показателей качества цифровых радиорелейных линий (ПО Эксперт-РРЛ): свидетельство об офиц. регистрации № 2010612459 / Василенко Г.О., Мельничук В.И.; заявитель и правообладатель ООО НПК СвязьСервис. - № 2010610771; заявл. 18.02.2010; зарегистрировано 07.04.2010.
Подписано к печати 01.12.2011.
Объем 2 печ.л. Тираж 80 экз. Зак.
Тип. СПбГУТ, 191186 СПб, наб. р. Мойки,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям